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高速電路設(shè)計(jì)中時(shí)序計(jì)算方法與應(yīng)用實(shí)例

出處:思科 發(fā)布于:2015-04-24 13:39:04

  1 滿足接收端芯片的建立,保持時(shí)間的必要性
  在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中,由于趨膚效應(yīng)、臨近干擾、電流高速變化等因素,設(shè)計(jì)者不能單純地從數(shù)字電路的角度來審查自己的產(chǎn)品,而要把信號(hào)看作不穩(wěn)定的模擬信號(hào)。采用頻譜分析儀對(duì)信號(hào)分析,可以發(fā)現(xiàn),信號(hào)的高頻譜線主要來自于信號(hào)的變化沿而不是信號(hào)頻率。例如一個(gè)1MHz的信號(hào),雖然時(shí)鐘周期為1微秒,但是如果其變化沿上升或下降時(shí)間為納秒級(jí),則在頻譜儀上可以觀察到頻率高達(dá)數(shù)百兆赫茲的譜線。因此,電路設(shè)計(jì)者應(yīng)該更加關(guān)注信號(hào)的邊沿,因?yàn)檫呇赝簿褪切盘?hào)頻譜、容易受到干擾的地方。
  在同步設(shè)計(jì)中,數(shù)據(jù)的讀取需要基于時(shí)鐘采樣,根據(jù)以上分析,為了得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù),時(shí)鐘的采樣點(diǎn)應(yīng)該遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)的變化沿。

 

圖1 信號(hào)采樣實(shí)例

圖2 源同步系統(tǒng)拓?fù)鋱D


  圖1是利用時(shí)鐘CLK的上升沿采樣數(shù)據(jù)DATA的示例。DATA發(fā)生變化后,需要等待至少Setup時(shí)間(建立時(shí)間)才能被采樣,而采樣之后,至少Hold時(shí)間(保持時(shí)間)之內(nèi)DATA不能發(fā)生變化。因此可以看出,器件的建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求,正是為了保證時(shí)鐘的采樣點(diǎn)遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)的變化沿。如果在芯片的輸入端不能滿足這些要求,那么芯片內(nèi)部的邏輯將處于非穩(wěn)態(tài),功能出現(xiàn)異常。
  2 時(shí)序分析中的關(guān)鍵參數(shù)
  為了進(jìn)行時(shí)序分析,需要從datasheet(芯片手冊(cè))中提取以下關(guān)鍵參數(shù):
  ● Freq:時(shí)鐘頻率,該參數(shù)取決于對(duì)芯片工作速率的要求。
  ● Tcycle:時(shí)鐘周期,根據(jù)時(shí)鐘頻率Freq的倒數(shù)求得。Tcycle=1/Freq。
  ● Tco:時(shí)鐘到數(shù)據(jù)輸出的延時(shí)。上文提到,輸入數(shù)據(jù)需要采用時(shí)鐘采樣,而輸出數(shù)據(jù)同樣也需要參考時(shí)鐘,不過一般而言,相比時(shí)鐘,輸出的數(shù)據(jù)需要在芯片內(nèi)延遲一段時(shí)間,這個(gè)時(shí)間就稱為Tco。該參數(shù)取決于芯片制造工藝。
  ● Tsetup(min):輸入建立時(shí)間要求。
  ● Thold(min):輸入保持時(shí)間要求。
  除以上五個(gè)參數(shù)外,時(shí)序分析中還需要如下經(jīng)驗(yàn)參數(shù):
  ● Vsig:信號(hào)傳輸速度。信號(hào)在電路上傳輸,傳輸速度約為6英寸/納秒。
  時(shí)序計(jì)算的目標(biāo)是得到以下兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系:
  ● Tflight-data:數(shù)據(jù)信號(hào)在電路板上的走線延時(shí)。
  ● Tflight-clk:時(shí)鐘信號(hào)在電路板上的走線延時(shí)。
  以上參數(shù)是進(jìn)行時(shí)序分析的關(guān)鍵參數(shù),對(duì)于普通的時(shí)序分析已經(jīng)足夠。
  3 源同步系統(tǒng)的時(shí)序計(jì)算
  源同步系統(tǒng)指數(shù)據(jù)和時(shí)鐘是由同一個(gè)器件驅(qū)動(dòng)發(fā)出的情況,下圖是常見的源同步系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):
  該系統(tǒng)的特點(diǎn)是,時(shí)鐘和數(shù)據(jù)均由發(fā)送端器件發(fā)出,在接收端,利用接收到的時(shí)鐘信號(hào)CLK采樣輸入數(shù)據(jù)信號(hào)DATA。
  源同步系統(tǒng)的時(shí)序計(jì)算公式為:
  TCO(max) + (Tflight-data - Tflight-clk)MAX + Tsetup(min) < Tcycle (式1)
  TCO(min) + (Tflight-data - Tflight-clk)MIN > Thold(min) (式2)
  時(shí)序計(jì)算的終目標(biāo)是獲得Tflight-data - T flight-clk的允許區(qū)間,再基于該區(qū)間,通過Vsig參數(shù),推算出時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的走線長(zhǎng)度關(guān)系。
  4 SPI4.2接口時(shí)序分析
  SPI4.2(System Packet Interface Level4, Phase 2)接口是國(guó)際組織OIF制定的針對(duì)OC192(10Gbps)速率的接口。目前廣泛應(yīng)用在高速芯片上,作為物理層芯片和鏈路層芯片之間的接口。SPI4.2的接口定義如下:
  SPI4.2接口信號(hào)按照收、發(fā)方向分為兩組,如圖3中,以T開頭的發(fā)送信號(hào)組和以R開頭的接收信號(hào)組。每組又分為兩類,以發(fā)送信號(hào)組為例,有數(shù)據(jù)類和狀態(tài)類,其中數(shù)據(jù)類包含TDCLK、TDAT[15:0],TCTL,狀態(tài)類包含TSCLK,TSTAT[1:0]。

SPI4.2借口信號(hào)


  中,狀態(tài)類信號(hào)是單端LVTTL信號(hào),接收端利用TSCLK的上升沿對(duì)TSTAT[1:0]采樣,方向?yàn)閺奈锢韺有酒l(fā)往鏈路層芯片;數(shù)據(jù)類信號(hào)是差分LVDS信號(hào),接收端利用TDCLK的上升沿與下降沿對(duì)TDAT[15:0]和TCTL采樣,即一個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行兩次采樣,方向?yàn)閺逆溌穼有酒l(fā)往物理層芯片。
  由于接收信號(hào)組與發(fā)送信號(hào)組的時(shí)序分析類似,因此本文僅對(duì)發(fā)送信號(hào)組進(jìn)行時(shí)序分析。
  在本設(shè)計(jì)中,采用Vitesee公司的VSC9128作為鏈路層芯片,VSC7323作為物理層芯片,以下參數(shù)分別從這兩個(gè)芯片的Datasheet中提取出來。
  ● 狀態(tài)類信號(hào)的時(shí)序分析
  對(duì)狀態(tài)類信號(hào),信號(hào)的流向是從物理層芯片發(fā)送到鏈路層芯片。
  步,確定信號(hào)工作頻率,對(duì)狀態(tài)類信號(hào),本設(shè)計(jì)設(shè)定其工作頻率和時(shí)鐘周期為:
  Freq=78.125MHz;
  Tcycle = 1/ Freq = 12.8ns;
  第二步,從發(fā)送端,即物理層芯片手冊(cè)提取以下參數(shù):
  -1ns < Tco < 2.5ns;
  第三步,從接收端,即鏈路層芯片手冊(cè)提取建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求:
  Tsetup(min) = 2ns;
  Thold(min) = 0.5ns;
  將以上數(shù)據(jù)代入式1和式2:
  2.5ns + (Tflight-data - Tflight-clk)MAX + 2ns < 12.8ns
  -1ns + (Tflight-data - Tflight-clk)MIN > 0.5ns 整理得到:
  1.5ns < (Tflight-data - Tflight-clk) < 8.3ns
  基于以上結(jié)論,同時(shí)考慮到Vsig = 6inch/ns,可以得到如下結(jié)論,當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)走線長(zhǎng)度關(guān)系滿足以下關(guān)系時(shí),狀態(tài)類信號(hào)的時(shí)序要求將得到滿足:TSTAT信號(hào)走線長(zhǎng)度比TSCLK長(zhǎng)9英寸,但多不能超過49.8英寸。
  ● 數(shù)據(jù)類信號(hào)的時(shí)序分析
  對(duì)數(shù)據(jù)類信號(hào),信號(hào)的流向是從鏈路層芯片發(fā)送到物理層芯片。
  步,確定信號(hào)工作頻率,對(duì)數(shù)據(jù)類信號(hào),本設(shè)計(jì)設(shè)定其工作頻率為:
  Freq=414.72MHz;
  與狀態(tài)類信號(hào)不同的是,數(shù)據(jù)類信號(hào)是雙邊沿采樣,即,一個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)應(yīng)兩次采樣,因此采樣周期為時(shí)鐘周期的一半。采樣周期計(jì)算方法為:
  Tsample = 1/2*Tcycle = 1.2ns;
  第二步,從發(fā)送端,即鏈路層芯片手冊(cè)提取以下參數(shù):
  -0.28ns < Tco < 0.28ns;
  第三步,從接收端,即物理層芯片資料可以提取如下需求:
  Tsetup(min) = 0.17ns;
  Thold(min) = 0.21ns;
  將以上數(shù)據(jù)代入式1和式2,需特別注意的是,對(duì)數(shù)據(jù)類信號(hào),由于是雙邊沿采樣,應(yīng)采用Tsample代替式1中的Tcycle:
  0.28ns + (Tflight-data- Tflight-clk)MAX + 0.17ns < 1.2ns
  -0.28ns + (Tflight-data- Tflight-clk)MIN> 0.21ns
  整理得到:
  0.49ns < (Tflight-data - Tflight-clk) < 0.75ns
  基于以上結(jié)論,同時(shí)考慮到Vsig = 6inch/ns,可以得到如下結(jié)論,當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)走線長(zhǎng)度關(guān)系滿足以下關(guān)系時(shí),數(shù)據(jù)類信號(hào)的時(shí)序要求將得到滿足:TDAT、TCTL信號(hào)走線長(zhǎng)度比TDCLK長(zhǎng)2.94英寸,但多不能超過4.5英寸。
  5 結(jié)論
  高速電路中的時(shí)序設(shè)計(jì),雖然看似復(fù)雜,然而只要明晰其分析方法,問題可以迎刃而解。
  參考文獻(xiàn):
  [1] 王劍宇. 高速電路設(shè)計(jì)實(shí)踐[M]. 電子工業(yè)出版社,2010:131
  [2] Optical Internetworking Forum. Implementation Agreement: OIF-SPI4-02.0[J]. OIF,2002:1-5
  [3] Vitesse. VSC7323 Datasheet[J]. Vitesse,2006: 306~312
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